DS0304 - Chimie Durable, produits, procédés associés

Promotion électrochimique de l'époxydation – EPOX

Promotion électrochimique de l'époxidation

Le projet EPOX est un programme de recherche collaboratif dont l’approche multidisciplinaire en catalyse hétérogène, électrocatalyse, science des surfaces et des matériaux est couplée à l’expertise des partenaires dans le domaine de la promotion électrochimique de la catalyse (EPOC). Le consortium ouvrira une nouvelle voie de production assistée par électrochimie de l'oxyde d'éthylène à l’échelle du laboratoire, étape indispensable avant le développement industriel.

Ouvrir une nouvelle voie écologique de l'epoxydation de l'éthylène pour produire de l'oxyde d'éthylène de manière plus sélective à forte conversion en alcène.

Les enjeux scientifiques du projet EPOX sont : <br />• Développer des catalyseurs nanostructurés à base d’argent, électrochimiquement activés, associant grande surface active et conduction électronique. <br />• Comprendre les processus de promotion électrochimique de l'époxydation de l'éthylène afin d’identifier les paramètres clés (microstructure des catalyseurs, nature de l’ion promoteur, température, niveaux de polarisation, …) et d’optimiser les performances catalytiques.

La première partie du projet porte sur des couches catalytiques composées seulement d’argent. L’impact de leur microstructure (épaisseur et porosité) sur leurs propriétés catalytiques avec et sans polarisation sera étudiée. Les films d’argent seront déposés sur deux types d’électrolyte solide (conducteur O2- et Na+) par deux méthodes de dépôt: la sérigraphie et les dépôts physiques en phase vapeur. Dans une seconde étape, afin d’augmenter la dispersion de l’argent, des catalyseurs nanostructurés composites intégrant des nanoparticules d’argent dans une matrice conductrice ionique seront préparés par pulvérisation cathodique réactive. Une autre voie consistera à déposer par sérigraphie une couche poreuse intermédiaire de conducteur mixte (électronique et ionique) au sein de laquelle seront dispersées des nanoparticules d’argent. Enfin, pour optimiser la formulation, un autre métal sera associé à l’argent. Une étude sera entreprise pour déterminer les mécanismes à la fois de la promotion électrochimique de l’époxydation de l’éthylène et de la réaction d’électrode à oxygène. Des techniques de pointe pour la plupart in-situ (microscopie, désorption en température programmée, voltamétrie cyclique, spectroscopie d’impédance, Raman) seront mises en œuvre.

• La sérigraphie a permis de produire des couches d’argent épaisses (10-25 µm) et poreuses et la pulvérisation cathodique magnétron a abouti à des films minces (50-200 nm). Le criblage des performances catalytiques, réalisé avec la réaction de combustion du propène, a permis d’identifier les conditions de dépôt les plus adaptées pour optimiser la microstructure des couches d’argent.
• Le consortium a démontré, pour la première fois, que l’activité catalytique pour la combustion du propène de couches d’argent sérigraphiées déposées sur la zircone yttriée, un conducteur O2-, peut être contrôlée par le courant imposé, de façon non-Faradique. Le principal impact du courant est de modifier la réactivité de l’oxygène chimisorbé sur l’argent. L’application de courants positifs augmente la conversion du propène en produisant des oxygènes plus réactifs.
• Synthèses et caractérisations de poudres d’oxydes conducteurs mixtes ioniques et électroniques. Premiers essais de dépôt de couches poreuses d’oxydes conducteurs mixtes sur des membranes de zircone yttriée.
• Premiers essais de synthèses par pulvérisation cathodique magnétron de films nanocomposites Ag/zircone yttriée.

- Etude cinétique sous polarisation de l’époxydation de l’éthylène sur les couches d’argent de microstructure optimisée.
- Cinétique et mécanisme de la réaction d’électrode à oxygène sur les couches d’argent de microstructure optimisée dans les conditions de l’époxydation.
- Préparation de catalyseurs à base d’alumine béta (membrane conductrice par les ions alcalins).
- Optimisation de la méthode de préparation de couches composites Ag/zircone yttriée, caractérisations et mesures des performances catalytiques sous polarisation.
- Optimisation de la méthode de dépôt des couches intermédiaires de conducteurs mixtes (électronique et ionique), infiltration de nanoparticules d’argent, caractérisations et mesures de performances catalytiques sous polarisation.

1 publication soumise : I. Kalaitzidou, T. Cavoué, A. Boreave, L. Burel, F. Gaillard, L. Retailleau-Mevel, E. A. Baranova, M. Rieu, J.P. Viricelle, D. Horwat, P. Vernoux, Electrochemical Promotion of Propylene Combustion on Ag Catalytic Coatings, soumis à

Le consortium EPOX regroupe trois laboratoires académiques dont l’expertise est complémentaire: catalyse et électrocatalyse pour IRCELYON, caractérisations électrochimiques des interfaces solide/gaz pour ARMINES et science des surfaces pour IJL. SAINT-GOBAIN CREE est partenaire du projet en tant que fournisseur de supports catalytiques et pour son expertise dans le domaine des céramiques conductrices ioniques.
Le projet EPOX a pour finalité de démontrer la faisabilité du concept de promotion électrochimique de la catalyse appliqué à l’époxydation de l’éthylène. L’objectif est de mettre au point une nouvelle voie de synthèse de l’oxyde d’éthylène plus respectueuse de l’environnement et plus sélective. Cette synthèse innovante permettra de supprimer l’utilisation des dérivés chlorés. EPOX générera des connaissances nouvelles grâce à une approche multidisciplinaire afin de développer des catalyseurs nanostructurés électrochimiquement activés. EPOX permettra de lever le principal verrou du domaine de l’activation électrochimique de la catalyse qui consiste à associer activation électrochimique et catalyseurs nanodispersés. Cette avancée ouvrira des perspectives de recherches pour la mise au point de nouvelles formulations catalytiques contenant des promoteurs utiles dans d’autres domaines d’application.

Coordinateur du projet

Institut de Recherches sur la Catalyse et l'Environnement de Lyon (Laboratoire public)

L'auteur de ce résumé est le coordinateur du projet, qui est responsable du contenu de ce résumé. L'ANR décline par conséquent toute responsabilité quant à son contenu.

Partenaire

Institut de Recherches sur la Catalyse et l'Environnement de Lyon
Institut Jean Lamour
ARMINES
Centre National de la Recherche Scientifique délégation Provence et Corse

Aide de l'ANR 669 097 euros
Début et durée du projet scientifique : janvier 2016 - 42 Mois

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